耒陽市江頭礦井礦山水文地質特征及礦坑涌水量預測研究

李常輝

（湖南省煤田地質局第六勘探隊，湘潭，411100）

1 引言

2019年4月，湖南省煤田地質局第六勘探隊組織技術人員對江頭某礦進行野外調查、研究，編制了《湖南省天宏礦業股份有限公司江頭礦井礦山地質環境綜合防治方案》，本文作者作為此項目負責人，對江頭某礦礦山水文地質特征進行了深入研究，取得了一定成果，希望能對該礦的礦坑水防治工作有所幫助。

2 概況

2.1 礦山基本情況

江頭某礦位于白沙礦區江頭井田，北接磨田井田，南至橫沖井田，隸屬耒陽市龍塘鎮。礦山1992年12月建成，1993年簡易投產；設計生產能力15萬t/a，目前技改期間實際生產能力約3萬t/a；主采龍潭組上段（P2l2）6礦層及5礦層局部；水文地質條件中等，正常礦坑涌水量65m3/h，最大107m3/h。

2.2 自然地理

2.2.1 地形地貌

礦區屬侵蝕剝蝕丘陵地貌，標高一般在110-150m之間，最高高程+186.5m，地勢南東高、北西低。礦區沖溝呈樹枝狀展布，地形有利于地表水的徑流、排泄。

2.2.2 氣象

本區屬亞熱帶季風濕潤氣候區，四季分明、雨量充沛。據耒陽市氣象統計資料（1951年～2018年），氣象參數如下[1]：

年平均氣溫16.9℃～18.8℃；

年平均降水量1373.2mm；

日最大降水量327.2mm（1999年8月12日）；

年平均降雨日166天，3～6 月為雨季。

2.2.3 地層巖性

區域地層由新至老分別為：第四系（Q）、三疊系下統大冶組（T1d）、二疊系上統大隆組（P2d）、龍潭組（P2l）及二疊系下統當沖組（P1d）。

2.2.4 地質構造

區內發育的構造體系主要有南內向構造、新華夏系構造，其次為東西向、華夏系及旋鈕構造。礦井整體為單斜構造，傾角35～80°，構造復雜。

3 礦區水文地質特征

3.1 地表水體

大氣降水一部分沿地表向西南流失，一部分滲入地下，地表水徑流條件好。殘坡積層厚0～7.92m，基巖表層裂隙較發育，大氣降水易沿山坡流出礦井范圍，通過殘坡積層孔隙及基巖裂隙滲入礦坑的水量較少。

礦井內有兩條季節性排水溪流，一是江頭溪，由南往北流經礦山，在北西角流出礦山范圍；二是烏沖溪，位于礦山北部，由東往西流經礦山。上述兩溪流，在礦井外蓮花洞合流為一，至九良洲附近與潯江河匯合流入耒河。

礦井外東西兩側有較大的水庫，分別為龍下沖水庫、觀沖水庫，庫水來源為上游侵蝕切割溝谷及其兩側大氣降水的匯集。此外，零星分布數口小山塘。

3.2 含、隔水層特征

3.2.1 含水層特征

（1）第四系殘坡積土孔隙水含水層（Ⅰ）

主要分布于溝谷中，厚0-7.92 m，一般5m，以殘、坡積碎屑物為主，即砂質粘土、粘土，夾基巖碎塊（見圖1）。溝谷中部，常見沖積層砂礫石層，厚一般1-2m，含孔隙水，受大氣降雨補給，為良好的透水層，其下部粘土層常起到隔水作用。該含水層雨季水量大，水位較高、常以下降泉的形式向沖溝排泄，泉水單位涌水量0.03～0.08l/s·m，旱季無水或很小。

圖1 江頭某礦水文地質剖面示意圖

（2）大隆組硅質巖風化裂隙水含水層（Ⅱ）

位于大隆組中部，巖性為硅質巖，間夾硅質泥巖，節理裂隙較發育，淺部含風化裂隙水，局部地段含弱承壓水。水量受大氣降水補給，以下降泉的形式排泄于沖溝中，泉水流量隨季節變化，最大達0.1 L/s，最小0.03 L/s，含水層厚度10-15m。

（3）龍潭組砂巖弱裂隙孔隙水含水層（Ⅲ）

龍潭組為賦礦地層，分上下兩段，由砂巖、粉砂巖、泥巖及礦層組成。其中砂巖中含微弱裂隙、孔隙水，具承壓性。上段中有兩組較穩定的砂巖層：一組在1～2礦層間，為灰色薄層狀細砂巖，節理裂隙發育，總厚32.30m；另一組在5-6礦層間，即灰白色薄至中厚層狀中粒砂巖，俗稱疏松砂巖，一般厚32m。據鄰區磨田井田鉆孔抽水試驗，疏松砂巖層單位涌水量為0.0001～0.0015 l/s·m，滲透系數0.0008～0.0012m/d，屬弱孔隙裂隙含水層。其中1～2礦層間砂巖含水層為Ⅲ1含水層；5～6礦層之間砂巖含水層為Ⅲ2含水層。

3.2.2 隔水層特征

除上述含水層外，區內出露的下第三系大冶組、二疊系下統大隆組、龍潭組地層中其余各地層均屬隔水層或相對隔水層。

大冶組泥灰巖、泥質灰巖因巖石中泥質含量高，巖溶不發育，巖石致密，基本不透水，屬相對隔水層（其地表淺部雖遭風化，但裂隙閉合，均被泥質充填，故所含風化裂隙水極弱，以相對隔水層對待）。

大隆組除中部硅質泥巖含風化裂隙水外，其余上下部之硅質巖均不含水，屬隔水層。

龍潭組上段除1～2礦層和5～6礦層之間的兩層穩定的砂巖含極弱的裂隙、孔隙水外，其余各層巖石泥質含量高，屬隔水層。

大隆組下段以泥巖為主，為隔水層。

3.2.3 礦山開采對含水層、隔水層的影響

（1）礦層頂板垮落帶和導水裂縫帶計算

根據“開發利用方案”[2]，未來設計開采標高5礦層為10～-400m，6礦層為-146～-500m。根據礦層賦存標高，5礦層距地面最小垂高為108m，礦層厚0.6～2.38m，平均厚1.0m，礦層傾角平均為47°；6礦層層距地面最小垂高為254m，礦層厚0.6～10.23m，平均1.5m，礦層傾角平均為57°；5、6礦層賦存于軟硬相間巖層中，屬傾斜～急傾斜薄及中厚礦層。5礦層與6礦層相距38m。根據規范：屬傾斜礦層，選用全部陷落法管理頂板時，垮落帶高度按下式計算[3]：

式中：Hk—最大跨落高度m；

∑M—礦層厚度（m）；

導水裂隙帶（包括垮落帶）高度按下列兩公式計算，取較大值：

式中：∑M—礦層厚度（m）；

采用導水裂隙帶最大高度：

Hli=40.85m＞73.97-38=35.97m

導水裂隙帶高度取40.85m。

保護層厚度公式：

式中：n—分層層數

∑M—礦層累計開采厚度（m），取5、6礦層最大厚度，∑M＝2.38+10.23＝12.61m；

將參數代入公式（4），得保護層厚度為31.53m。

通過計算可知，礦層開采后，將引起的最大冒落高度為5礦層以上10.08m，導水裂隙帶高度最大40.85m。因此，本礦采礦導水裂縫帶最大高度為5礦層頂部往上40.85m，主要發育于龍潭組上段，不會進入大隆組。

（2）龍潭組上段不含礦段含水層

5-6礦層間灰白色薄至中厚層狀中粒砂巖（Ⅲ2含水層），直接位于6礦層冒落帶及導水裂隙帶內，而1-2礦層間的灰色薄層狀細砂巖（Ⅲ1含水層）距5礦層78.8m，遠大于導水裂隙帶的最大高度（40.85m）。因此，未來礦山開采將影響Ⅲ2含水層向礦坑充水，同時，位于Ⅲ1、Ⅲ2含水層之間的隔水層厚度在80.8m左右，導水裂隙帶破壞該隔水層的厚度在40.85m左右，尚有40m左右隔水層保持完整并對Ⅲ1含水層起保護作用，因而不會影響Ⅲ1含水層向礦坑充水。區內Ⅲ2含水層單位涌水量為0.0001～0.0015 l/s·m，滲透系數0.0008～0.0012m/d，屬弱孔隙裂隙含水層。根據以下公式估算礦山開采對含水層的影響范圍：

表1 計算結果

式中：F—為礦井預測最終采空區水平投影面積873323㎡；

S—為-500m水平地下水位降深（m），龍潭組上段砂巖裂隙含水層

平均水位為-340m，取值為160m；

K—為區域砂巖滲透系數（0.0012m/d）。

r0—為礦井最終采空區范圍引用半徑（m），經計算為528m；

綜上，未來礦山開采將影響Ⅲ2含水層向礦坑充水，影響半徑R在583m以內，并影響Ⅲ1、Ⅲ2含水層之間的隔水層的中下部，對該隔水層的中上部及區內其他隔水層沒有影響，也不會影響Ⅱ、Ⅲ1含水層向礦坑充水。

3.3 斷層帶含、導水性特征

礦井內斷裂構造發育，但以壓性或壓扭性斷裂為主，據以往資料，僅1個孔施工時有微量涌水現象，其余揭穿斷層各鉆孔均未見涌、漏水現象。礦山巷道通過斷層，未發生突水現象，說明井田內各斷層富水性弱、導水性差。

3.4 老窯水特征

據“詳查報告”資料，井田內老窯較多，多數開采深度在當地侵蝕溝谷以上，即地下水位之上。據井田勘查時資料，對1/3的老窯點進行長期觀測，雨季時以泉水形式出露地表，旱季絕大部分斷流，實測流量0.006～3.40L/s。說明老窯水的大小與降水關系密切，降雨量越大，流量也越大，反之則小。

本次野外調查，老窯口大部分填實，地表很難見到，雖見有兩處老窯，未見老窯充水。礦山目前開采北部已經達到-200m以下，南部最深已至-350m，遇老窯的機會較少。

3.5 地下水補給、徑流、排泄條件

所有地下水均直接間接受大氣降雨補給，由于礦區Ⅰ、Ⅱ含水層位于地表淺部，其受大氣降水補給更明顯，Ⅰ、Ⅱ含水層即松散物孔隙水與基巖風化裂隙水二者之間有一定的水力聯系，一般第Ⅰ含水層補給Ⅱ含水層，Ⅰ、Ⅱ含水層大部分排泄于江頭溪、烏沖溪；部分沿裂隙滲入老窯或淺部井巷，Ⅲ1、Ⅲ2含水層因距地表較遠，接受大氣降水的補給少，大部分由大氣降水沿裂隙滲透補給，故Ⅲ1、Ⅲ2含水層水量小（補給量小）、徑流慢（裂隙、孔隙有限、連通性差），排泄條件差。所有地下水均沿斷裂、裂隙、孔隙徑流，由高勢能向低勢能運移，近地表地下水排泄于江頭溪、烏沖溪等溪溝，深部地下水排泄于采空區，地下水的運動方向總體上為由南東向北西。

3.6 生產礦坑水文地質情況

據本次調查，上部巷道局部可見冒水、淋水現象，但總的情況，巷道較干燥；±0m標高以下，巷道干燥，頂板及兩壁很少見淋水、冒水現象，偶見濕潤現象；-250m水平巷道干燥無積水；-350m采場礦塵飛揚，巷道干燥，未見滴水、淋水。礦井一般涌水量為65m3/h，最大為107m3/h。

3.7 礦坑充水因素及涌水量預測

3.7.1 礦坑充水因素

區內與礦山開采關系密切的主要為Ⅱ、Ⅲ1、Ⅲ2含水層，主要分布于地表淺部巖石風化裂隙及1-2礦層間、5-6礦層間之細砂巖、粉砂巖巖層中，未來礦山開采導水裂隙帶可能會波及Ⅱ、Ⅲ1、Ⅲ2含水層，導致Ⅱ、Ⅲ1、Ⅲ2含水層地下水進入地下坑道。因此，未來礦坑充水主要來源為Ⅱ、Ⅲ1、Ⅲ2含水層地下水，局部Ⅰ含水層之水及大氣降水進入老窯后沿近地表裂隙滲于淺部巷道再流入礦坑，也成為采坑涌水來源。

3.7.2 礦坑涌水量預測

礦山現開采至-350m標高，礦坑涌水量正常65m3/h，最大107m3/h。未來礦井開采至-500m標高，礦井的水文地質條件與現狀近似，充水來源相似。因此，利用其實際排水資料，采用水文地質比擬法計算未來涌水量，如下：

參數取值：

Q1—-350m水平礦井涌水量（m3/h），涌水量正常65m3/h，最大107m3/h；

Q2—-500m水平礦井預測涌水量（m3/h）；

F1—已采空區水平投影總面積（㎡），約789185㎡；

F2—未來采空區水平投影總面積（㎡），約873323㎡；

S1—礦井-350m水平水位降深（m），取值10m；

S2—礦井可采礦層最低賦存水平-500m水位降深（m），取值為160m。

經計算，預測礦井開采至-500m標高時，礦坑涌水量正常273m3/h，最大449m3/h（計算結果不包括礦井突水、透水等瞬時潰入量，且相鄰礦山生產、排水條件相似，以下同；供礦山生產建設時參考）。

4 結語

江頭某礦當前最低開采水平為-350m，礦坑涌水量正常65m3/h，最大107m3/h，未來礦井開采至-500m標高時預測礦坑涌水量正常273m3/h，最大449m3/h。區內地表水體發育中等，除小山塘各地均有見及外，并有沖溝溪水，與第Ⅰ、Ⅱ含水層有一定的水力聯系。本區降雨量較大，降雨強度亦大，但區內沖溝發育，利于地表水排泄。各地層中無強富水層，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ1、Ⅲ2含水層水量不大，其中Ⅰ、Ⅱ含水層受大氣降水補給，含水層厚度小，徑流條件好，易于排泄；Ⅲ1、Ⅲ2含水層不僅水量小，而且徑流慢、補給、排泄條件均差。區內雖老窯多，但積水不大，僅對淺部開采有一定影響，未來巷道接近老窯警戒線時，應采取探水前進的安全措施，摸清水性做好防水工程，防治突水。區內斷裂構造雖發育，但以壓性壓扭性斷裂為主，加之所切割地層均屬弱含水層，故富水、導水性弱。礦坑充水來源主要為Ⅲ2含水層，其次為大氣降水和Ⅱ、Ⅰ、Ⅲ1含水層、老窯水沿裂隙滲入礦坑。根據礦山地質環境評估技術要求，礦區水文地質條件屬中等類型。